嵌固墻體對(duì)光岳樓抗震性能的影響

王岱龍（聊城大學(xué)，山東 聊城 252000）

關(guān)鍵字：古建筑；嵌固墻體；光岳樓；木結(jié)構(gòu)；抗震性能

木結(jié)構(gòu)建筑體系是我國(guó)古代建筑重要類型之一，主體是由榫卯連接構(gòu)成的木框架承重體系。在木結(jié)構(gòu)古建筑的山面及后檐兩側(cè)都嵌有起圍護(hù)作用的厚重墻體。墻體大多為非承重墻，不能承受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載。但在特殊情況下，由剛度較小而使梁構(gòu)件向下產(chǎn)生撓曲變形或者嵌入墻體的木柱腐爛、蟲(chóng)蛀導(dǎo)致承載力喪失時(shí)，墻體和木構(gòu)件將共同承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載。在地震作用時(shí)，墻體與木構(gòu)架共同變形，但因墻體剛度較大，故墻體承受地震作用要多于木構(gòu)架。當(dāng)墻體開(kāi)裂或倒塌時(shí)，地震作用將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移至木構(gòu)架。

現(xiàn)有研究考慮墻體的木結(jié)構(gòu)整體理論分析及試驗(yàn)研究較少，且大多數(shù)古建筑有限元模擬都以木構(gòu)架為地震分析模型，考慮嵌固墻體的有限元分析模型較少。不同于質(zhì)量輕密度小的木材，墻體厚重且剛度較大，故在地震作用下，嵌固墻體對(duì)木構(gòu)架抗震性能的影響也不可忽視。

光岳樓由高臺(tái)基和主樓兩部分組成。高臺(tái)基為磚石砌成的正四棱臺(tái)，四層主樓筑于墩臺(tái)之上，采用木構(gòu)架承重。墻體厚1.21m，主要分布在一層木構(gòu)架四周，四個(gè)方向各有一個(gè)大門。本文對(duì)有無(wú)嵌固墻體的光岳樓上部木結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比分析，為其他含有嵌固墻體的木結(jié)構(gòu)有限元分析提供依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 單元選擇

光岳樓上部帶墻體木結(jié)構(gòu)采用ANSYS中APDL語(yǔ)言進(jìn)行編程建模，梁柱采用BEAM188單元模擬，屋蓋荷載采用MASS21單元模擬，屋面板及嵌固墻體用SHELL181單元模擬，梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)用COMBIN14單元模擬。

1.2 材料參數(shù)

參考同年代順紋方向的木材參數(shù)[1]，根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[2]對(duì)木材參數(shù)進(jìn)行調(diào)整修正，依據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對(duì)彈性模量進(jìn)行調(diào)整，考慮年限并且修正木材材料參數(shù)[4]。

結(jié)合其得出的磚墻砌體等效力學(xué)參數(shù)，并參考《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003—2011)。本文采用的磚砌體墻材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，對(duì)屋面板、樓面板根據(jù)面積等效原則等效為作用在相應(yīng)柱頂?shù)募泻奢d，計(jì)算求得柱頂集中質(zhì)量為4889kg。

表+ 墻體材料參數(shù)

1.3 邊界條件設(shè)置

我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑大多通過(guò)柱礎(chǔ)連接到基礎(chǔ)，柱根浮擱在礎(chǔ)石之上。在主體結(jié)構(gòu)的重力作用下，礎(chǔ)石可以在垂直和水平方向上提供一定的摩擦力，對(duì)柱底旋轉(zhuǎn)的限制較小。參考高大峰、蘇軍等處理木結(jié)構(gòu)古建筑的連接方法，本文將柱腳與礎(chǔ)石的連接節(jié)點(diǎn)近似簡(jiǎn)化為鉸接。

考慮到古建筑的施工技術(shù)，在將墻面砌筑在梁的底部時(shí)，不采取任何連接措施，而僅使用低標(biāo)號(hào)砂漿填充墻梁之間的細(xì)縫，即設(shè)置墻體與梁底為普通接觸。模擬柱子-墻體接觸采用線面接觸單元，墻體側(cè)邊是采用TARGE169單元模擬的目標(biāo)單元，柱子是采用CONTA172單元模擬的接觸單元。

按照有無(wú)墻體參與工作兩種方式建模，兩種模型見(jiàn)圖1。其中N表示不考慮墻體的結(jié)構(gòu)，N-W表示考慮嵌固墻體的結(jié)構(gòu)。

圖1 光岳樓有限元模型

2 模態(tài)分析

本文采用Block Lanczos法對(duì)光岳樓木結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)于古建筑來(lái)講，對(duì)其地震作用下模態(tài)分析，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。通常情況下高階模態(tài)的權(quán)重遠(yuǎn)低于低階模態(tài)，一般取前幾階模態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 頻率

對(duì)光岳樓上部木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得不同條件下模型的前10階頻率表2。

表+ 兩種模型前10階自振頻率/Hz

由表2可知，光岳樓有限元模型前10階的頻率均分布至0~10Hz，自振頻率隨階數(shù)增大逐漸增大，嵌固墻體的存在使結(jié)構(gòu)的基頻提高，但對(duì)高階頻率的提高不明顯，高階振型自振頻率趨于接近，因此嵌固墻體的存在明顯提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)光岳樓動(dòng)力性能有顯著影響。

2.2 振型

由軟件分析可知：①無(wú)論模型是否考慮嵌固墻體，主振型都在前兩階，一階和二階振型分別表現(xiàn)為縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，三振型階開(kāi)始扭轉(zhuǎn)，說(shuō)明在地震作用下，扭轉(zhuǎn)振型的發(fā)生在平動(dòng)振型之后，需要的地震能量也大，因?yàn)榕まD(zhuǎn)破壞對(duì)建筑的影響很大，所以在建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量避免扭轉(zhuǎn)振型發(fā)生在前兩階，這樣的情況是一個(gè)建筑最適合的情況。如果扭轉(zhuǎn)振型發(fā)生在第一階或者第二階，說(shuō)明扭轉(zhuǎn)比平動(dòng)更容易發(fā)生（很小的地震能量就行發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型），那么就容易扭轉(zhuǎn)破壞，那么對(duì)建筑物是不利的；②不考慮嵌固墻體時(shí)，模型的主振型表現(xiàn)為木構(gòu)架的整體側(cè)移；而考慮嵌固墻體時(shí)，在模型周圍嵌入木柱的墻體使得木構(gòu)架無(wú)明顯振動(dòng)，即嵌固墻體對(duì)木構(gòu)架振動(dòng)具有約束作用。

3 時(shí)程分析

光岳樓結(jié)構(gòu)所在地聊城市的抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期Tg為0.55s，綜合以上因素，選取X向El波持續(xù)時(shí)間20s，時(shí)間間隔為0.02s的數(shù)據(jù)作用于光岳樓上部木結(jié)構(gòu)，X方向加速度峰為150gal，在進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析時(shí)，選取二層柱頂（編號(hào)383）、四層柱頂（編號(hào)949）來(lái)研究嵌固墻體對(duì)結(jié)構(gòu)位移及加速度的影響。

3.1 加速度

圖2 表示383號(hào)節(jié)點(diǎn)與949號(hào)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線，節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)與結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力密切相關(guān)。可以得出：①不考慮嵌固墻體的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)四層柱頂相對(duì)于二層柱頂動(dòng)力放大不明顯，可以反映出榫卯節(jié)點(diǎn)和斗拱具有良好耗能減震作用；②考慮墻體后，四層柱頂和二層柱頂?shù)募铀俣确逯捣糯竺黠@，反映出因考慮墻體的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)力變大。結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生破壞的可能性增大，內(nèi)力過(guò)大對(duì)墻體而言可能產(chǎn)生開(kāi)裂甚至倒塌，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)的變形減小導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌的概率變小。

圖2 節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)曲線

3.2 位移

圖3 為位移響應(yīng)曲線，可以得出：①無(wú)論結(jié)構(gòu)是否考慮墻體，節(jié)點(diǎn)383和節(jié)點(diǎn)949的位移響應(yīng)曲線都是圍繞平衡中心線振動(dòng)，側(cè)面反映了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的振動(dòng)情況；②兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在考慮嵌固墻體的作用后，位移都有所減小，這反映了墻體對(duì)于木框架在振動(dòng)中有明顯的約束作用，且949號(hào)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于383號(hào)節(jié)點(diǎn)距離柱子與墻體相交的地方的節(jié)點(diǎn)更近，其位移減小更明顯。由此得出，所選節(jié)點(diǎn)距離一層墻體位置越近，其約束作用越明顯。

圖3 節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

a.考慮嵌固墻體的木結(jié)構(gòu)基頻大于不考慮嵌固墻體的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)，且考慮嵌固墻體的模型對(duì)低階頻率影響顯著，對(duì)模型高階頻率影響不大。其原因是嵌固墻體對(duì)木構(gòu)架有一定的約束作用，使帶墻體的模型抗側(cè)剛度大于木構(gòu)架結(jié)構(gòu)。

b.是否考慮嵌固墻體，木結(jié)構(gòu)主振型都在前兩階，一階和二階振型表現(xiàn)為縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，三振型階表現(xiàn)為開(kāi)始扭轉(zhuǎn)，嵌固墻體對(duì)木構(gòu)架振動(dòng)具有明顯約束作用。

c.地震作用下，考慮嵌固墻體對(duì)結(jié)構(gòu)有明顯約束作用且距離墻體和柱子相交位置越近，其約束越明顯。考慮嵌固墻體后，其內(nèi)力明顯增大，位移減小，整體結(jié)構(gòu)抗倒塌性能更好。